CN111667722B - 一种紧迫局面下的船舶自动抛锚避碰方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种紧迫局面下的船舶自动抛锚避碰方法，包括如下步骤：利用本船的控制系统对外界进行定量分析，判断与他船是否形成紧迫局面；确定他船进入相对本船的紧迫局面时，控制系统进入接管状态并对本船的锚控系统进行控制；控制系统根据他船相对本船的方位角，计算出本船的前冲距离和出链长度，自动选择落锚点和时机进行抛锚制动，然后利用锚阻改变本船现行航迹；控制系统检测到两船之间距离符合驶过让清规定后，驱动起锚操作，回到原预定航迹继续航行，并解除控制系统的接管状态。本发明利用船舶的AIS系统进行定量分析，自动判定本船紧迫局面是否形成，并及时对抛锚设备进行控制，采用自主抛锚来控制本船前冲距离，实现及时转向避撞。

Description

一种紧迫局面下的船舶自动抛锚避碰方法

技术领域

本发明涉及船舶控制领域，具体地说是涉及一种紧迫局面下的船舶自动抛锚避碰方法。

背景技术

船舶海上碰撞事故严重影响了船舶航行的安全，是海上交通事故的主要组成部分。在目前的海上事故中，有一种现象叫紧迫局面，该紧迫局面的含义为存在碰撞危险的两船不论由于何种原因相互驶近到单凭一船最有效的避让行动已不能使两船在安全距离上驶过的开始，到单凭一船的避让行动已不能避免发生碰撞之前的一种局面。此时应采取最有助于避碰的行动，包括背离规则规定，这样才有可能避免碰撞或减少损失。

在紧迫局面下，虽然避让的时间和方法将会严重地受到外界自然条件地限制，不过只要尚有一定地避让余地且采取避让的措施得当，仍可避让他船，只有这样才有可能避免碰撞或最大限度的减少损失。

现有在紧迫局面下船舶自主避碰策略多基于转向避让，其依靠改变推进器的状态进而改变船舶的航行路径，最终实现船舶自主避碰。但在紧迫局面时，时间和空间都有一定的限制，很难满足船舶通过大幅度转向来驶过让清的操作要求。而此状态下的停车、倒车等避让效果同样不理想。

在船舶操纵中，特别是在应急操纵的情况下，锚是稳定船舶的重要利器，锚同时是驾驶员可以利用的重要手段，是一种能够在船舶发生碰撞时，尤其在狭窄巷道、通航密度较大、火灾紧急和紧迫情况下的常用防止事态扩大的设备。

现在的智能船舶对自主避碰提出了新要求，国内外关于智能船舶自主避碰决策的研究较少，且仅基于避碰规则，适用于避碰安全范围内。同时,现有的自主避碰决策仅研究改变推进器状态控制船舶的操纵运动，进行路径规划。而在紧迫局面时，基于规则的避碰决策往往难以应对紧急情况下的避碰要求，目前还未有将锚用在两船处在紧迫局面时的避碰策略。

发明内容

本文发明的目的是提供一种在紧迫局面下利用抛锚来改变本船航行从而防止碰撞的船舶自动抛锚避碰方法。

具体地，本发明提供一种紧迫局面下的船舶自动抛锚避碰方法，包括如下步骤：

步骤100，在航行过程中，利用本船的控制系统对外界进行定量分析，判断与他船是否形成紧迫局面；

步骤200，确定他船进入相对本船的紧迫局面时，控制系统进入接管状态并对本船的锚控系统进行控制；

步骤300、控制系统根据他船相对本船的方位角，计算出本船的前冲距离和出链长度，自动选择落锚点和时机进行抛锚制动，然后利用锚阻改变本船现行航迹；

步骤400，在控制系统检测到两船之间距离符合驶过让清规定后，起锚，回到原预定航迹继续航行，并解除控制系统的接管状态。

在本发明的一个实施方式中，所述控制系统为船载AIS系统，AIS系统在自动对外界进行定量分析的同时接收他船的AIS系统信息并建立连接，实时对两船之间的状态进行自动标绘及两船会遇局面判别。

在本发明的一个实施方式中，所述紧迫局面是指：先以本船为中心建立一个环形区域，该环形区域设置有依次缩小的外警戒圈和内警戒圈，外警戒圈和内警戒圈之间形成紧迫区域，当他船进入外警戒圈时即判定进入紧迫局面。

在本发明的一个实施方式中，所述控制系统自动进入接管状态后，直接根据当前信息对本船进行控制，此时无须等待岸基的控制指令，但向岸基发送本船的当前紧急情况警报信息。

在本发明的一个实施方式中，所述步骤300中的抛锚法为进抛法或单锚泊法，且出短锚链。

在本发明的一个实施方式中，所述控制系统在他船进入所述外警戒圈时即开始检查抛锚设备，在确认抛锚设备正常的同时完成抛锚设备的准备工作，以在他船到达所述紧迫局面的预定点时进行抛锚操作。

在本发明的一个实施方式中，所述利用锚阻是指：以最快速度抛出指定位置的锚，当锚抛出且刹住后打开锚链刹车，在该过程中，因本船的继续前移会使锚链逐渐向后，带动本船上的锚链靠重力自然脱出，且在出链期间根据情况调整出链速度，直至抛出计划出链长度后牢固刹住锚链，再控制本船降低航速进行预定方向的转向或等待转向指令。

在本发明的一个实施方式中，所述出链长度是由控制系统根据本船声纳测深仪测量的海水深度确定的。

在本发明的一个实施方式中，在所述步骤300中，他船与本船的方位角与抛锚之间的关系如下：

0°≤θ≤90°，他船位于本船航行方向左侧，抛出左锚；

0°≤θ≤90°，他船位于本船航行方向右侧，抛出右锚；

90°＜θ≤180°，他船位于本船航行方向左侧，抛出右锚；

90°＜θ≤180°，他船位于本船航行方向右侧，抛出左锚；

其中方位角θ是指他船与本船航向之间的夹角。

在本发明的一个实施方式中，所述改变本船现行航迹是指：当

他船位于本船航行方向的左侧，即0°≤θ≤90°时，左满舵，转过90+θ后，直航出判定的安全距离DCPA；当

他船位于本船航行方向的右侧，即0°≤θ≤90°时，右满舵，转过90+θ后，直航出判定的安全距离DCPA；当

他船位于本船航行方向的左侧，即90°＜θ≤180°时，右满舵，转过270-θ后，直航出判定的安全距离DCPA；当

他船位于本船航行方向的右侧，即90°＜θ≤180°时，左满舵，转过270-θ后，直航出判定的安全距离DCPA；

其中方位角θ是指他船与本船航向之间的夹角。

本发明利用船舶的AIS系统进行定量分析，自动判定本船紧迫局面是否形成，并及时对抛锚设备进行控制，处理过程中无需等待岸基指令，可提高本船紧急状态下的响应速度和效率；采用自主抛锚来控制本船前冲距离，同时自动计算出链长度，自动判断船位与锚位的正确位置，自动选择落锚点和时机，自动降低船舶前冲速度，实现及时转向避撞；采用进抛法抛锚无需减速和倒车，可进一步提高紧急状态下的响应速度和效率。

附图说明

图1是本发明一个实施方式的船舶自动抛锚避碰方法流程示意图；

图2是本发明一个实施方式的船舶方位角与距离示意图；

图3是本发明一个实施方式的两船避让后的位置示意图；

图4是本发明一个实施方式中他船相对本船位于0°≤θ≤90°时的示意图；

图5是本发明一个实施方式中他船相对本船位于0°≤θ≤90°时的示意图；

图6是本发明一个实施方式中他船相对本船位于90°＜θ≤180°时的示意图；

图7是本发明一个实施方式中他船相对本船位于90°＜θ≤180°时的示意图；

图8是本发明一个实施方式的船舶自动抛锚避碰方法执行过程示意图。

具体实施方式

本发明针对两船之间已经进入紧迫局面的状况，提出一种利用锚来快速调整本船航迹从而避开碰撞可能的方案。

如图1所示，在本发明的一个实施方式中，提供一种紧迫局面下的船舶自动抛锚避碰方法，包括如下步骤：

步骤100，在航行过程中，利用本船的控制系统对外界进行定量分析，判断与他船是否形成紧迫局面；

这里的控制系统是指智能船舶的船载AIS系统(船舶自动识别系统)，AIS系统本身具备数据处理、存储和计算功能，日常用于本船与岸基及其它智能船舶之间的通讯和数据接收，本船的AIS系统自动对外界进行定量分析的同时接收他船的AIS系统信息并建立连接，实时对两船之间的状态进行自动标绘及两船会遇局面进行判别，在该过程中，AIS系统无需经过一定的预设间隔即可进行采样，可对当前状态进行快速判定。

可以根据本实施方式的方案在AIS系统中设置相应的紧急处理模块，紧急处理模块仅在两船之间已经进入紧迫局面时自行启动，平时并不干涉人工操作；而启动之后的紧急处理模块则可完全接管本船，排除人工干涉，以避免人工处理失误。

其中的紧迫区域是指本船与他船之间的距离已经小于安全距离后的一个极大可能发生碰撞的区域，其划分方式如下：先以本船为中心建立一个环形区域，该环形区域设置有依次缩小的外警戒圈和内警戒圈，外警戒圈和内警戒圈之间形成紧迫区域，当他船进入外警戒圈时即判定进入紧迫区域。其中的环形区域可以是一个标准的圆形，也可以是一个不规则环形。外警戒圈边界以外是没有构成碰撞危险的区域，因为两船如果能够严格遵守规则的规定，是不会进入紧迫局面区域内的；反之，如果没有严格遵守规则的规定，就必然会进入紧迫局面区域，内警戒圈是处理紧急避碰的最后区域点或时间点。

图2为本船与他船之间的位置示意图，AIS系统判定本船与他船之间是否形成紧迫局面的过程如下：

设：AIS系统可获取他船距离本船的距离为N,他船与本船航向之间的方位角为θ，A表示本船位置，B表示他船位置；当两船会遇而本船需要避让时，需要满舵转过一定角度，再直航出一个安全距离DCPA，设转过一定角度所用的时间为t₀,该时间随船舶的操纵性能而定，则直航出一个安全距离DCPA需要的时间为DCPA/V_A,V_A表示本船舶直航速度,这段时间内，两船各自航行过的一段距离分别为：

两船避碰后的状态如图3所示，利用临界的思想，取一个两船最安全的相对船位，据此我们所得到的两船的距离为：

该距离N也就是使两船在安全距离外通过而单凭一船采取最有效的避让行动的临界距离，相当于他船行驶至外警戒圈外或边界时距离本船的距离。而当两船形成紧迫局面时，即外船已经进入外警戒圈与内警戒圈之间的范围，他船距离本船的距离已经小于该距离N，此时仅通过单一船舶的避碰规则已难以满足避碰要求，此时就需要本船的AIS系统对本船进行控制，并通过下述步骤进行处理，以避免船舶碰撞。

步骤200，确定他船进入相对本船的紧迫局面时，控制系统进入接管状态并对本船的锚控系统进行控制；

在此过程中，控制系统自动进入接管状态，并直接根据两船之间的信息对本船进行控制，由于紧迫局面属于紧急情况，如果等待岸基上的控制指令，则易错过最佳避碰操作时间，因此此时并不等候岸基上的控制指令，而是直接根据事先设置的避撞程序执行，但会向岸基发送本船当前紧急情况的警报信息。

控制系统在完全接管本船的控制权后，根据本船的航速、动力等相应性能以及他船的航速，制订相应的避碰策略，同时检查本船的抛锚设备，并在确认抛锚设备正常的同时完成抛锚设备的准备工作，以在他船到达紧迫局面的预定点时进行抛锚操作。

步骤300、控制系统根据他船相对本船的方位角，计算出本船的前冲距离和出链长度，自动选择落锚点和时机进行抛锚制动，然后利用锚阻改变本船现行航迹；

在他船位于本船的安全距离时，不构成紧迫局面，此时可通过控制转向的避碰策略对本船或他船的运动进行控制，达到避碰目的，在此情况下，如果采用本方案的抛锚制动方法显得太浪费。即使在紧迫局面内采用抛锚制动的措施，落锚的距离和时间的选择也尤为重要。如果距离他船太近时或过迟地抛锚来制动，则不能确保在安全距离和有效时间内将本船利用锚停住，影响后续的转向航行，造成碰撞危险。因此需要根据他船相对本船的方位角来确定抛锚的具体时间点和出链长度。

控制系统在本船被锚定住后即根据他船的位置转向航行一段距离，以避开他船。

其中，如图4、5、6、7所示，他船与本船的方位角θ与抛锚之间的关系如下：

0°≤θ≤90°，他船位于本船航行方向左侧，抛出左锚；

0°≤θ≤90°，他船位于本船航行方向右侧，抛出右锚；

90°＜θ≤180°，他船位于本船航行方向左侧，抛出右锚；

90°＜θ≤180°，他船位于本船航行方向右侧，抛出左锚；

其中方位角θ是指他船与本船航向之间的夹角。

根据前述他船相对本船的方位角θ改变本船现行航迹是指：当他船位于本船航行方向的左侧，即0°≤θ≤90°时，左满舵，转过90+θ后，直航出判定的安全距离DCPA；当他船位于本船航行方向的右侧，即0°≤θ≤90°时，右满舵，转过90+θ后，直航出判定的安全距离DCPA；当他船位于本船航行方向的左侧，即90°＜θ≤180°时，右满舵，转过270-θ后，直航出判定的安全距离DCPA；当他船位于本船航行方向的右侧，即90°＜θ≤180°时，左满舵，转过270-θ后，直航出判定的安全距离DCPA；其中方位角θ是指他船与本船航向之间的夹角。

具体的抛锚法需要采用进抛法或单锚泊法且出短锚链。与退锚法相比，进抛法或单锚泊法的锚泊操纵落锚点准确、用车少、操作简练，响应速度快，可大大提高处理速度。

本船利用锚阻的过程如下：本船以最快速度抛出指定位置(船体左侧或船体右侧)的锚，当锚抛出且刹住后打开锚链刹车，在该过程中，因本船的继续前移会使锚链逐渐向后，带动本船上的锚链靠重力自然脱出，且可在出链期间根据情况调整出链速度，直至抛出计划出链长度后牢固刹住锚链，再控制本船降低航速进行预定方向的转向或等待转向指令。

这里的出链长度是由控制系统根据本船声纳测深仪测量的海水深度确定的。

步骤400，在控制系统检测到两船之间距离符合驶过让清规定后，起锚，回到原预定航迹继续航行，并解除控制系统的接管状态。

本实施方式利用船舶的AIS系统进行定量分析，自动判定本船紧迫局面是否形成，并及时对抛锚设备进行控制，处理过程中无需等待岸基指令，可提高本船紧急状态下的响应速度和效率；采用自主抛锚来控制本船前冲距离，同时自动计算出链长度，自动判断船位与锚位的正确位置，自动选择落锚点和时机，自动降低船舶前冲速度，实现及时转向避撞；采用进抛法抛锚无需减速和倒车，可进一步提高紧急状态下的响应速度和效率。

如图8所示，本方案的操作过程如下：

本船的AIS系统随时监控一定区域内的航行状况，并对该区域内他船相对本船的方位和距离进行监测，并随时判定他船是否进入相对本船的紧迫局面，如果未进入，则两船处于安全避碰区域内，此时可采用现有的安全避策略；如果他船进入紧迫局面，则由AIS系统接管本船的控制，对他船的位置和方位进行判定，计算出最佳抛锚时间和抛锚方式，然后在预定时间和预定地点进行抛锚，在锚稳定后，即可根据计算出的避碰角度和方向进行港舵转向，满足驶过让清的条件后，再收锚继续回到原来的航迹上航行，同时AIS系统解除接管状态，完成紧迫局面下的避碰。

在本实施方式中虽然都是以本船和他船作为描述对象，但在其它的实施例中，他船可以是多艘除本船外的船，各船依与本船的距离远近分别建立相应的连接，并标绘出本船与多船之间的判断示意图，当某船与本船之间的距离在安全距离内未及时采取避碰措施且进入紧迫局面时，即可启动本方案。

至此，本领域技术人员应认识到，虽然本文已详尽示出和描述了本发明的多个示例性实施例，但是，在不脱离本发明精神和范围的情况下，仍可根据本发明公开的内容直接确定或推导出符合本发明原理的许多其他变型或修改。因此，本发明的范围应被理解和认定为覆盖了所有这些其他变型或修改。

Claims (6)

1.一种紧迫局面下的船舶自动抛锚避碰方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤100，在航行过程中，利用本船的控制系统对外界进行定量分析，判断与他船是否形成紧迫局面；其中包括，先以本船为中心建立一个环形区域，该环形区域设置有依次缩小的外警戒圈和内警戒圈，外警戒圈和内警戒圈之间形成紧迫区域，当他船进入外警戒圈时即判定进入紧迫局面；

步骤200，确定他船进入相对本船的紧迫局面时，控制系统进入接管状态并对本船的锚控系统进行控制；所述控制系统在他船进入所述外警戒圈时即开始检查抛锚设备，在确认抛锚设备正常的同时完成抛锚设备的准备工作，以在他船到达所述紧迫局面的预定点时进行抛锚操作；所述控制系统自动进入接管状态后，直接根据当前信息对本船进行控制，此时无须等待岸基的控制指令，但向岸基发送本船的当前紧急情况警报信息；

步骤300、控制系统根据他船相对本船的方位角，计算出本船的前冲距离和出链长度，自动选择落锚点和时机进行抛锚制动，然后利用锚阻改变本船现行航迹；所述利用锚阻是指：以最快速度抛出指定位置的锚，当锚抛出且刹住后打开锚链刹车，在该过程中，因本船的继续前移会使锚链逐渐向后，带动本船上的锚链靠重力自然脱出，且在出链期间根据情况调整出链速度，直至抛出计划出链长度后牢固刹住锚链，再控制本船降低航速进行预定方向的转向或等待转向指令；

步骤400，在控制系统检测到两船之间距离符合驶过让清规定后，起锚，回到原预定航迹继续航行，并解除控制系统的接管状态。

2.根据权利要求1所述的船舶自动抛锚避碰方法，其特征在于，

所述控制系统为船载AIS系统，AIS系统在自动对外界进行定量分析的同时接收他船的AIS系统信息并建立连接，实时对两船之间的状态进行自动标绘及两船会遇局面判别。

3.根据权利要求1所述的船舶自动抛锚避碰方法，其特征在于，

所述步骤300中的抛锚法为进抛法或单锚泊法，且出短锚链。

4.根据权利要求1所述的船舶自动抛锚避碰方法，其特征在于，

所述出链长度是由控制系统根据本船声纳测深仪测量的海水深度确定的。

5.根据权利要求1所述的船舶自动抛锚避碰方法，其特征在于，

在所述步骤300中，他船与本船的方位角与抛锚之间的关系如下：

0^o≤θ≤90^o，他船位于本船航行方向左侧，抛出左锚；

0^o≤θ≤90^o，他船位于本船航行方向右侧，抛出右锚；

90^o≤θ≤180^o，他船位于本船航行方向左侧，抛出右锚；

90^o≤θ≤180^o，他船位于本船航行方向右侧，抛出左锚；

其中方位角θ是指他船与本船航向之间的夹角。

6.根据权利要求5所述的船舶自动抛锚避碰方法，其特征在于，

所述改变本船现行航迹是指：当他船位于本船航行方向的左侧，即0^o≤θ≤90^o时，左满舵，转过90+θ度角90+θ后，直航出判定的安全距离DCPA;当他船位于本船航行方向的右侧，即0^o≤θ≤90^o时，右满舵，转过90+θ度角后，直航出判定的安全距离DCPA;当他船位于本船航行方向的左侧，即90^o≤θ≤180^o时，右满舵，转过270-θ度角后，直航出判定的安全距离DCPA;当他船位于本船航行方向的右侧，即90^o≤θ≤180^o时，左满舵，转过270-θ度角后，直航出判定的安全距离DCPA；

其中方位角θ是指他船与本船航向之间的夹角。

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